Kindai QPT Seminar 2023

教室：　31号館3階シミュレーション実験室　+　Zoomでのオンライン配信

発表者：　Rammohan, Sidharth（量子多体）

題目：Tailoring the Phonon Environment of Embedded Rydberg Aggregates

概要：State-of-the-art experiments can controllably create Rydberg atoms inside a Bose-Einstein condensate (BEC) [1]. The large Rydberg electron orbital volume contains many neutral atoms, resulting in electron-atom scattering events. The number of atoms within the orbit, and hence the Rydberg-BEC interaction, can be tuned by choice of principal quantum number or condensate density [1]. This makes the hybrid system a fascinating platform for quantum simulation. We studied the physics of the interaction and corresponding dynamics of single or multiple Rydberg atoms in two internal electronic states embedded inside a BEC, to assess their utility for controlled studies of decoherence and quantum simulations of excitation transport similar to photosynthetic light-harvesting.

We initially developed a theoretical framework to calculate the open quantum system input parameters like the bath correlation function and the spectral density, initially for a single Rydberg atom, possibly in two internal states with angular momentum quantum numbers l = 0 (|s⟩) and l = 1 (|p⟩) [2], in BEC and then for a chain of Rydberg atoms, forming an aggregate. The electron-atom contact interactions lead to Rydberg-BEC coupling, which creates Bogoliubov excitations (phonons) in the BEC.

Using this spin-boson model with the calculated parameters, we examine the decoherence dynamics of a Rydberg atom in a superposition of |s⟩ and |p⟩ states, resulting from the interaction with its condensate environment. Further, we investigated the emergence of the Non-Markovian features in the system in the presence of a microwave external drive of the Rydberg atom using a stochastic computational technique for Non-Markovian open quantum systems [3].

Finally, we extend this to the aggregate case, where one of the atoms in the aggregate is in the state |p⟩, while the rest are in the state |s⟩, resulting in excitation transport via dipole-dipole interaction [4]. We investigate the effects of Non-Markovinity and decoherence on the excitation transport based on an effective model described by a Holstein Hamiltonian, allowing us to set up the dynamics similar to those found in light-harvesting complexes, but at a different time and energy scales. 

---

日時：　2023年12月6日10:45-

題目：Quantum simulation of nonergodic behavior in a disorder-free Bose-Hubbard system

概要：Thanks to their high controllability and near-perfect isolation from environment, cold-atom systems serve as a unique platform for studying non-equilibrium dynamics of isolated quantum systems. To understand how an isolated quantum system reaches thermal equilibrium through unitary time evolution, it is important to investigate mechanisms of nonergodic systems, such as integrability [1], many-body localization [2], quantum many-body scar states [3], and the Hilbert space fragmentation (HSF) [4]. A previous theoretical study [5] proposed that non-ergodic dynamics due to HSF originated from strong interparticle interactions can occur in a one-dimensional Bose-Hubbard system with weak trapping potentials when in the initial state of the dynamics the odd-numbered (even-numbered) sites are doubly occupied (empty). In this presentation, following the proposed protocol, we experimentally analyze this nonergodic dynamics by means of a quantum simulator built with ultracold Bose gases in optical lattices. To cross-check the quantum-simulation results, we numerically simulate the real-time evolution with use of matrix product states combined with the local density approximation.

[1] T. Kinoshita, T. Wenger, and D. S. Weiss, Nature 440 900 (2006).

[2] J. Choi et al., Science 352, 1547 (2016).

[3] H. Bernien, et al., Nature 551, 579 (2017)

[4] S. Scherg et al., Nat. Comm. 12, 4490 (2021)

[5] M. Kunimi and I. Danshita, Phys. Rev. A 104, 043322 (2021).

---

日時：　2023年12月13日10:45-

題目：Combining quantum with critical metrology, and temperature enhanced critical metrology

概要：In the talk, I will present two ways of improving quantum critical metrology. First relies on a combination of conventional metrology protocols, like Ramsey interferometry, with critical metrology protocols. Second relies on showing how finite temperature can be, in principle, used to increase the quantum Fisher information and the sensitivity of estimating physical parameters.

---

日時：　2023年12月13日10:45-

題目：Isoholonomic problem and composite quantum gate robust against pulse length error

概要：One confronts two typical systematic errors in one-qubit control: Pulse Length Error (PLE) and Off Resonance Error (ORE). To prevent the loss of control accuracy due to these systematic errors, a technique called Composite Quantum Gate (CQG) [1] exists, replacing a single operation with a sequence of several operations. In this talk, we will focus on PLE robust CQGs. The geometry of the PLE robust CQG is related to the Aharonov-Anandan phase [3], an extension of the Berry phase [2]. We argued the shortest operation time by minimizing the length of the path drawn on the Bloch sphere while satisfying the robustness condition against PLE [4]. However, the bound in [4] is not tight and needs more discussions: This is the subject of this talk and is related to the isoholonomic problem [5,6].

[1] Levitt, M. H. (1986). Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 18(2), 61-122.

[2] Berry, M. V. (1984). Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 392(1802), 45-57.

[3] Aharonov, Y., & Anandan, J. (1987). Physical Review Letters, 58(16), 1593.

[4] Kukita, S., Kiya, H., & Kondo, Y. (2023). Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 56(48), 485305.

[5] Montgomery, R. (1990). Communications in Mathematical Physics, 128, 565-592.

[6] Tanimura, S., Nakahara, M., & Hayashi, D. (2005). Journal of mathematical physics, 46(2).

---

日時：　2024年1月10日10:45-

題目：Machine learning analysis of Fully Frustrated XY Model (FFXY) in two-dimensional square lattice

概要：The recent remarkable development of artificial neural networks in image recognition, image classification, and natural language processing has influenced many scientific fields, and the search for new discoveries by applying this technology to any problem has begun. In the field of classical statistical physics, machine learning algorithms were introduced to identify symmetry-broken phase [1-3], and in some of these cases neural networks were shown to be able to learn order parameters and other thermodynamic parameters [1,3]. Having been able to apply machine learning techniques to conventional phase transitions, it is natural to ask whether the algorithm can be applied to unconventional phase transitions. As an example of such a system, we focus on the 2D Fully Frustrated XY Model (FFXY) [4]. The FFXY model has an Ising model-like transition and an XY model-like transition.

The purpose of this study is to see if machine learning algorithms trained by the XY and Ising models can detect phase transitions for the two-dimensional square lattice FFXY model. The two neural networks used were trained from the spin configuration of the Ising model and the vortex configuration of the XY model. The FFXY model detects vortices from spin configurations obtained from Monte Carlo simulations, and inputs them to the learning model.

[1] J. Carrasquilla and R. G. Melko, Nat. Phys. 13, 431 (2017).

[2] E. P. L. van Nieuwenburg, Y.-H. Liu, and S. D. Huber, Nat. Phys.13, 435 (2017).

[3] S. J. Wetzel and M. Scherzer, Phys. Rev. B 96, 184410 (2017).

[4] Stephen Teitel, 40 Years of Berezinskii–Kosterlitz–Thouless Theory (World Scientific), pp. 201-235 (2013).

---

日時：　2024年1月17日9:00-

題目：Toward an analysis of correlation propagation in the Bose-Hubbard model with dipole-dipole interactions

概要：Rapid technological advances in preparing and manipulating cold atoms have offered unique opportunities for studies of non-equilibrium dynamics of quantum many-body systems. One of the fundamental questions to be addressed is how correlations propagate in these systems. Specifically, such correlation propagation dynamics have been analyzed in experiments with Bose gases in optical lattices [1,2], which can be well described by the Bose-Hubbard model. Moreover, recent experiments using atoms with strong dipole-dipole interactions [3,4] have opened up new possibilities for studying effects of the long-range interactions on correlation propagation dynamics. In this work, we aim to theoretically investigate correlation spreading in the Bose-Hubbard model with dipole-dipole interactions. In preparation for analyzing this model, this presentation will introduce the auxiliary bosonic operators, which are the basic approximations used in the analysis of the 1D Bose-Hubbard model, and present a part of what has been learned about the approximation of unconstrained fermions (UF approximation) [5].

References:

[1] Marc Cheneau, Peter Barmettler, Dario Poletti, et al., nature10748, NATURE vol481,487,(2012).

[2] Y. Takasu, et al., Science Advances 6, eaba9255 (2020).

[3] S. Baier, M. J. Mark, D. Petter, et al., Science 352, 201 (2016).

[4] Lin Su, Alexander Douglas, Michal Szurek, et al., Nature 622, 724 (2023).

[5] Peter Barmettler, Dario Poletti, et al., Phys. Rev. A 85, 053625 (2012).

---

日時：　2024年1月19日10:45-

題目：Rydberg原子配列からなる量子コンピュータの量子ゲート操作に生じる主要なエラー

概要：光ピンセットを用いて配列された冷却Rydberg原子は量子計算機の分野において有望なプラットフォームの1つとして研究されており[1,2]、近年目覚ましい発展を遂げている。しかし、基底状態とRydberg状態の間のコヒーレント制御のフィデリティが低いことにより、さらなる進歩が制限されている。本研究は、そのフィデリティを下げる様々な要因について、その減衰過程をシミュレーションし、量子計算機の開発を理論面からサポートできる理論模型およびその数値解析を提供することを目的とする。本発表では、まず量子ゲート操作の中でも重要なCZゲート操作について先行研究[3]で提案されている実験操作を紹介する。理想的なCZゲート操作では完全な Rydbergブロッケードが仮定されているが、現実にはこのブロッケードは完全ではなく、二原子ともにRydberg状態を取る確率が有限に存在する。このことがCZゲートのフィデリティにどの程度影響するかを検証するために、Rydbergブロッケードを仮定しない場合のCZゲート操作を数値シミュレーションする。その後、Rydberg原子のラビ振動に生じる主要なエラー要因[4]を全て含めた数値計算コードを作成する準備として、それらのエラー要因についての概要を説明する。

[1] M. Saffman, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 49, 202001 (2016).
[2] X. Wu et al., Chinese Phys. B 30, 020305 (2021).
[3] H. Levine et al. Phys. Rev. Lett. 123, 170503 (2019).
[4] S. de Léséleuc et al. Phys. Rev. A 97, 053803 (2018).

---

題目：双極子・双極子相互作用を持つRydberg原子系におけるスピン二量体系の量子相転移

概要：絶対零度の系で量子的な効果によって起こる相転移は量子相転移と呼ばれる。観測するためには熱ゆらぎの効果が無視できるほどの低温でかつ物理パラメータを制御可能な系を人工的に用意する必要がある。人工量子系の一つである光ピンセットで配列されたRydberg原子系は十分に低温で制御性の高い物理系であるため、特に量子スピン摸型での量子相転移の観測に向いている[1,2]。実際に文献[3]の実験では、原子間距離の３乗に反比例して減衰するスピン間相互作用（長距離相互作用）を持つスピン1/2のXY模型で記述されるRydberg原子系において、連続対称性（具体的にはU(1)対称性）の自発的な破れを伴う量子相転移が観測された。この実験の設定を発展させることで、これまでにRydberg原子系で実現されていない種類の量子相転移が実現できることを提示することが、この研究の目的である。具体的には、双極子・双極子相互作用を持つRydberg原子系[3]において、文献[4]でなされているように二原子対を周期的に配列することで、スピン二量体系を実現することを提案する。この系において、二量体内相互作用に対する二量体間相互作用の強さを増大させると、無秩序なスピン一重項状態からXY反強磁性状態への量子相転移が起こることを、一次元の場合を例にして示す。この相転移はTlCuCl3などの固体物質のスピン二量体系[5]で実現されているものと同種のものであると予想される。今後の研究でこの量子相転移近傍における準粒子励起の性質を解析するための準備として、平均場近似による励起の分散関係の導出方法[6,7]をおさらいする。

[1] A. Browaeys et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 49, 152001 (2016).
[2] A. Browaeys and T. Lahaye, Nat. Phys. 16, 132 (2020).
[3] Cheng Chen et al. Nat. 616, 691–695 . 27 (2023).
[4] Y. Chew et al., Nat. Photonics 16, 724 (2022).
[5] Ch. Rüegg et al., Phys. Rev. Lett. 100, 205701 (2008).
[6] R. T. Scalettar et al., Phys. Rev. B 51, 8467(1995).
[7] I. Danshita and D. Yamamoto, Phys. Rev. A 82, 013645(2010).

---

題目：エネルギーバンド構造とバンドマッピング

概要：調和ポテンシャルと格子ポテンシャルに束縛された冷却原子の物性を調べる手段として、気体のエネルギーバンド構造を指標として用いるバンドマッピングと呼ばれる手法がある。この方法では格子ポテンシャルをなくし、時間発展するガスの運動を分析することで、元々の気体の特性を逆算的に調べるという手法である。この時間発展を調べることが本研究の目的である。

---

題目：2成分Bose-Einstein凝縮体における渦輪の伝播速度

概要：本研究では、2成分Bose-Einstein凝縮体(BEC)の渦輪の伝播速度を調べる。渦輪とは、量子渦の渦芯が円形に繋がったものである。本発表では、初めに1成分BECにおける渦輪の伝播速度を数値計算で求め、解析的に知られている表式と比較する。その後、同様の手法で2成分BECでの渦輪の伝播速度を計算したのでその結果について紹介する。

---

日時：　2024年1月24日9:00-

題目：Rydberg原子系の強磁性XY状態におけるスピン波励起のトンネル効果の理論解析に向けて

概要：2023年にInstitut d’Optiqueの実験グループがRydberg原子系でスピン１/2のXY模型を実現し、U(1)対称性の自発的な破れを伴う量子相転移を観測した[1]。このU(1)対称性の自発的な破れを伴う相転移現象の一つにBose-Einstein凝縮(BEC)があり、そのBECの特徴的な物性として異常トンネル効果がある。異常トンネル効果とは入射エネルギーが小さいほど透過確率が上昇し、0極限では完全に透過するというSchrödinger方程式から導かれる一般的なトンネル効果とは対照的な性質を持つトンネル現象である[2]。本研究はU(1)対称性の自発的な破れが見られるという共通点から、Rydberg原子系でトンネル効果を数値計算で理論的に解析することを目的とする。本発表では、まず本研究の根幹となる要素であるRydberg原子系と異常トンネル効果について解説する。特に異常トンネル効果の解説においては、理解を深めるためにBose凝縮体系での異常トンネル効果を記述することに適したBogoliubov理論を導入する[3][4]。次にRydberg原子系での低エネルギー励起の分散関係を先行研究に則って確認する[5][6]。それからRydberg原子系での異常トンネル効果を検証する準備として、最近接スピン間相互作用のみを持つスピン1/2のXY模型において、スピン波励起の障壁ポテンシャルによる散乱の問題を考える[7]。この場合において、スピン波励起が異常トンネル効果を示すことを確認する。

[1] C. Chen et al., Nature, 616, 691 (2023).
[2] Yu. Kagan et al., PRL 90, 130402 (2003).
[3] 段下一平, 物性研究, 85, 96 (2005).
[4] 土屋俊二, 物性研究, 94, 2 (2010).
[5] D. Peter et al., Phys. Rev. Lett. 109, 025303 (2012)
[6] I. Danshita and D. Yamamoto, Phys. Rev. A 82, 013645 (2010).
[7] Y. Kato and S. Watabe, Journal of Physics: Conferencce Series 400 , 032036 (2010).

---

題目：質量比の異なる2成分ボース・アインシュタイン凝縮体における量子渦格子の構造

概要：2成分間の質量が等しい2成分ボース・アインシュタイン凝縮体における回転ポテンシャル中の量子渦状態では様々な構造を示すことが知られている。本研究では2成分間の質量比が異なる2成分ボース・アインシュタイン凝縮体がつくる回転ポテンシャル中の量子渦状態を原子間相互作用を変数とし、回転系における時間に依存しない2次元GP方程式の数値シミレーションに基づき量子渦格子の構造を調査した。そこで質量比や異成分原子間相互作用δの値によって量子渦格子の配置に違いが出ることが明らかとなった。

---

題目：Physics-informed Neural Networkによる運動方程式の推定

概要：近年、機械学習と物理学の理論的手法群の統合によって基礎物理学の課題を解決しようとする動きが高まっている。しかし、そのような背景がある一方で、機械学習にデータを直接、物理情報を失わずに取り入れることはいまだに難しい難問題である。また、現実の物理情報を含んだデータを生成することは極めて難しく、より洗練されたコードが必要である。最近ではディープニューラルネットワークを使用し、トレーニングする手法が編み出されてきたがトレーニングするには大量のデータが必要である。そこで代わりに登場したのがPhysics-informed Neural Network (PINN)を使用した手法である。
本研究では、PINNを使用し、減衰振動の運動方程式を予測する。PINNの性質をよく理解し、別の物理系にも実装することを目的とする。

---

日時：　2024年2月15日13:15-

題目：Quantum Dissipation in One-Dimensional Quantum Many-Particle Systems

概要：I will review several old [1,2] and new results concerning one-dimensional (1D) quantum dissipative systems. Beginning with a brief review of some early studies on the effect of dissipation in Tomonaga-Luttinger liquids [1,2] and spin systems [3], I will conclude by describing some recent results [5] that demonstrate some interesting analogies between the superconductor-metal transition in 1D superconducting wires or Josephson junction arrays and the de confinement of bosons in an anisotropic optical lattice [6,7]. Finally, considering dissipation in out of equilibrium systems, I will describe our recent results on the non-equilibrium dynamics induced by two-body losses of strongly interacting bosons in one-dimensional optical lattices.
[1] M. A. Cazalilla, F. Sols, and F. Guinea, Phys. Rev. Lett. 97, 076401 (2006).
[2] E. Malatsetxebarria, Z. Cai, U. Schollwöck, and MAC, Phys. Rev. A 88, 063630 (2013)
[3] A. M. Lobos, M. A. Cazalilla, and P. Chudzinski, Phys.Rev. B 86 035455 (2012).
[4] C.-H. Huang, T. Giamarchi, and MAC, Phys. Rev. Res. 5, 043192 (2023).
[5] M. A. Cazalilla, to be published.
[6] A. F. Ho, M. A. Cazalilla, and T. Giamarchi, Phys. Rev. Lett. 92, 130405 (2004).
[7] M. A. Cazalilla, A. F. Ho, and T. Giamarchi, New J. Phys. 8, 158 (2006).